fortran

现代 Fortran 开发

本技能涵盖如何编写现代、易维护的 Fortran（2003/2008 及更高版本），用于科学计算和数值计算，包括模块组织、kind 参数、过程设计、内存安全和测试。

编写现代 Fortran 模块的工作流

1. 先定义共享 kind — 创建一个 kinds_mod（或类似名称）模块，使用 iso_fortran_env 或 selected_real_kind/selected_int_kind 参数，供整个项目使用。
2. 设计模块 — 将相关的派生类型和过程归入每个文件中的一个专注模块；在顶部声明 implicit none。
3. 编写过程接口 — 为每个哑元参数指定明确的 intent(in)、intent(out) 或 intent(inout)；使用 use, only: 仅导入所需内容。
4. 尽早验证后再实现 — 在每个过程开头检查前置条件（数组边界、分配状态、有效范围），尽早返回或停止，而不是进行深层嵌套。
5. 显式管理数组 — 使用可分配数组，使用前检查 allocated()，并在其生命周期不受作用域自然管理时释放数组。
6. 启用警告进行构建 — 使用 -Wall -Wextra -std=f2008（gfortran）或等效选项编译，并在 CI 中将新增警告视为失败。
7. 测试 — 为各个过程编写单元测试，为完整数值工作流编写集成测试；检查容差，而不是要求浮点数精确相等。

基本原则

• 面向现代 Fortran 标准 — Fortran 2003、2008 或更新版本 — 不要仅仅因为编译器仍然接受旧式 FORTRAN 77 写法，就沿用这种风格。
• 在每个程序单元（模块、程序，以及通过模块继承或显式声明的每个过程）中加入 implicit none，以便在编译时捕获未声明变量的拼写错误，避免产生悄无声息的错误结果。
• 将过程放在模块中，而不是写成外部子程序；模块过程会自动生成显式接口，让编译器能够捕获外部过程无法检查的参数不匹配。
• 让模块专注于单一职责，并将每个主要模块放在独立文件中，文件名与模块名一致（例如，在 linear_solver.f90 中定义 module linear_solver）。
• 优先采用清晰、结构化的代码，而非巧妙的语言技巧 — Fortran 数值代码被阅读的次数远多于编写的次数，而且通常由原作者以外的人阅读。
• 避免使用过时特性：COMMON 块（用模块替代）、大量使用 GOTO 的控制流（用结构化的 if/do/select case 替代，并在适当时使用 block），以及用作跳转目标的数字语句标签。

Kind 和类型

• 在一个共享模块中定义数值 kind 参数（例如 kind_mod 或 precision_mod），使整个代码库能够在一个地方更改精度。
• 浮点数使用 real(kind=dp)（或项目批准的实数 kind）— 不要使用不带 kind 的 real 或 double precision，因为它们的实际精度取决于编译器和编译选项。
• 对于位宽很重要的整数，使用 integer(kind=i4)（或项目批准的整数 kind），尤其是在与 C 接口或进行二进制 I/O 时。
• 显式且精确地定义 pi 等常量（例如 real(dp), parameter :: pi = 4.0_dp * atan(1.0_dp)），不要使用被截断的字面量。
• 对于表示物理量的变量，在注释中注明物理单位（real(dp) :: velocity ! m/s）。
• 使用派生类型对相关数据分组（例如，定义包含位置、速度和质量字段的 particle_t 类型），而不是在过程调用中传递许多零散的基本类型参数。

示例：Kinds 模块和数值过程

module kinds_mod
  use iso_fortran_env, only: real64, int32
  implicit none
  private
  public :: dp, i4

  integer, parameter :: dp = real64
  integer, parameter :: i4 = int32
end module kinds_mod

module stats_mod
  use kinds_mod, only: dp
  implicit none
  private
  public :: mean, standard_deviation

contains

  pure function mean(x) result(m)
    real(dp), intent(in) :: x(:)
    real(dp) :: m

    m = sum(x) / real(size(x), dp)
  end function mean

  pure function standard_deviation(x) result(s)
    real(dp), intent(in) :: x(:)
    real(dp) :: s
    real(dp) :: m
    integer :: n

    n = size(x)
    if (n < 2) then
      s = 0.0_dp
      return
    end if

    m = mean(x)
    s = sqrt(sum((x - m)**2) / real(n - 1, dp))
  end function standard_deviation

end module stats_mod

program demo
  use kinds_mod, only: dp
  use stats_mod, only: mean, standard_deviation
  implicit none

  real(dp) :: samples(5)
  samples = [1.0_dp, 2.0_dp, 3.0_dp, 4.0_dp, 5.0_dp]

  print '(A, F0.4)', 'mean = ', mean(samples)
  print '(A, F0.4)', 'stddev = ', standard_deviation(samples)
end program demo

命名和风格

• 语言关键字和大多数标识符使用小写；Fortran 不区分大小写，因此统一使用小写可以避免大小写混用造成的视觉干扰。
• 多词名称使用下划线（particle_velocity，而不是 particleVelocity 或 ParticleVelocity）。
• 避免使用仅大小写不同的名称（Count 和 count），因为 Fortran 会将它们视为相同名称，容易造成混淆。
• 为过程和状态使用描述性名称（compute_residual，而不是 cr 或 calc2）。
• 在 end 语句后重复过程或模块名称（end module kinds_mod、end subroutine compute_residual），便于快速核对较长的代码单元。
• 在 do、if、select case 和模块代码块中保持缩进一致（使用 2 或 4 个空格，与项目保持一致）。

过程

• 子程序和函数应简短且职责单一——计算残差的过程不应同时写入输出文件。
• 为每个哑元参数指定 intent(in)、intent(out) 或 intent(inout)；未指定 intent 的参数是一个警示信号，表明接口尚未经过仔细设计。
• 尽可能让函数没有副作用（符合条件时标记为 pure 或 elemental），并将 subroutine 留给会修改状态或执行 I/O 的过程。
• 优先进行提前验证并清晰返回（if (n <= 0) then; ...; return; end if），避免使用层层嵌套的 if 代码块。
• 从模块导入内容时，使用 use, only: name1, name2，而不是直接使用 use module_name，这样能清楚看出调用处具体导入了什么，也能避免名称冲突。

内存和数组

• 优先使用可分配数组而非指针，除非确实需要指针语义（别名、链式结构）；可分配数组会自动释放，默认情况下也更安全。
• 使用可能尚未分配的数组前，检查其 allocated() 状态和数组大小（size()、lbound()、ubound()）。
• 当可分配数组的生命周期不会自然结束时，显式释放它们（例如，数组保存在生命周期超过单次过程调用的派生类型中）；过程局部数组会在退出时自动释放。
• 在数组边界很重要时明确指定，尤其是非默认下界（real(dp) :: a(0:n)）。
• 避免在热点循环中进行不必要的动态分配——在循环外分配一次并重复使用缓冲区，或对小型、固定大小的临时数组使用自动数组或栈数组。

测试和构建

• 使用项目已统一采用的构建系统，例如 CMake、fpm（Fortran Package Manager）、Make；保持一致，不要混用。
• 启用编译警告（开发构建可使用 gfortran -Wall -Wextra -std=f2008 -fcheck=all），并将重要警告视为 CI 失败。
• 为公共过程添加单元测试（例如，纯函数 standard_deviation 应有一个输入和输出已知、快速运行的小型测试），并为完整的数值工作流添加集成测试。
• 测试边界条件（空数组、单元素数组、零值或负值输入）、无效输入，以及源自实际问题领域的典型科学案例。
• 使用容差验证数值结果（例如，abs(actual - expected) < 1.0e-10_dp），不要依赖浮点数精确相等，因为跨编译器或优化级别几乎无法保证结果完全一致。

常见错误

• 在可执行语句之后声明变量，却没有将其放在 block 结构中 — Fortran 要求在给定作用域单元中，所有声明都必须位于可执行代码之前。
• 误以为 random_number 是函数；它是子程序（应使用 call random_number(x)，而不是 x = random_number()）。
• 在声明为 pure 的过程中向标准输出写入内容（print、write(*,*)）— 这是不允许的，会导致编译失败。
• 在同一作用域中重复声明同一个变量；模块变得很大时很容易忽略这一点。
• 误以为 pi、dp 或其他项目标准的 kind/常量名称已经存在，却没有通过 use 显式导入或定义它们。